JP3913194B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子などの窒化物半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体材料により、紫外から可視領域で発振する半導体レーザ素子が試作されている。基板には、ＧａＮ基板が用いられることが多く、各研究機関において精力的に研究されている。現在、十分な寿命の半導体レーザ素子が得られておらず、更なる長寿命化が必要とされている。この半導体レーザ素子の寿命は、ＧａＮ基板に元々存在する欠陥（本明細書において欠陥とは、結晶中の空孔、格子間原子、転位等を指す）密度に強く依存することが知られている。しかし、長寿命化に効果があると言われる欠陥密度の低い基板は得られにくく、盛んに研究されている。
【０００３】
一例として、ＧａＮ基板の製造には次の方法を用いることが非特許文献１に報告されている。ＭＯＣＶＤ法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）により、サファイア基板上に２．０μｍ厚の下地ＧａＮ層を成長させ、その上に０．１μｍの膜厚の周期的なストライプ状の開口部をもつＳｉＯ2マスクパターンを形成し、再びＭＯＣＶＤ法により２０μｍ厚のＧａＮ層を形成してウェハーを得る。これは、ＥＬＯＧ（Epitaxially Lateral Overgrown）と呼ばれる技術であり、ラテラル成長の利用により欠陥を低減する手法である。
【０００４】
さらに、ＨＶＰＥ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy）により２００μｍ厚のＧａＮ層を形成し、下地であるサファイア基板を除去することで１５０μｍ厚のＧａＮ基板を作製する。次に、得られたＧａＮ基板の表面を平坦に研磨する。このようにして得られた基板には基板面内に欠陥集中領域と低欠陥領域とを含むことになる。一般的には、ＳｉＯ2上の一部に欠陥を多く含む欠陥集中領域と、ＳｉＯ2上の残りの低欠陥領域とに分けられる場合が多い。
【０００５】
【非特許文献１】
Applied Physics Letter. Vol.73 No.6 (1998) pp.832-834
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、欠陥集中領域と低陥領域を含む基板上に窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法等により成長させた場合、それから作製される半導体レーザ素子の特性がばらつき、大きく歩留まりを下げていた。
【０００７】
欠陥集中領域と低欠陥領域を含む基板上に窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法等により成長させた場合、半導体レーザ素子の特性がばらつき、大きく歩留まりを下げる原因を解明すべく、鋭意研究を行った結果、膜表面の平坦性が悪く凸凹した表面モフォロジーになっていることが原因であることが分かった。凸凹した膜上に窒化物半導体層（特に活性層と呼ばれるＩｎＧａＮ層）を成長した場合、層厚や組成が凸凹に依存して面内で異なり、設定値から大きくずれるためである。更に、凸凹した表面モフォロジーは、窒化物半導体層の欠陥集中領域の形状に大きく依存していることを突き止めた。つまり欠陥集中領域の形状に、薄膜の成長方向や成長モードが強く依存し、欠陥集中領域の形状が不均一であると、膜表面の平坦性が悪くなり、凸凹した表面モフォロジーになることが分かった。この凸凹の表面に活性層等の薄膜を成長することにより、素子の特性がばらつくのである。
【０００８】
上記の考察を導いた実験について説明する。まず、欠陥集中領域と低欠陥領域が存在する基板上に窒化物半導体層を成長させる場合について説明する。図１６（ａ）は従来の半導体レーザ素子の断面図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）の上面図である。１０が欠陥集中領域と低欠陥領域の存在する基板であり、１１が欠陥集中領域、１２が低欠陥領域、１３が窒化物半導体層、１３ａが窒化物半導体層の表面である。
【０００９】
基板１０上にそのまま（基板等に前処理などしないで）窒化物半導体層を成長させた場合、欠陥集中領域は低欠陥領域に比べ結晶性が悪く、また低欠陥領域と異なる成長面が出ることがあり、低欠陥領域と大きく成長速度が異なる。このため、低欠陥領域よりも欠陥集中領域の成長速度が遅くほとんど成長は起こらない。
【００１０】
図１７（ａ）は線状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図、図１７（ｂ）は点状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図である。欠陥集中領域で成長がほとんど起こらないため、欠陥集中領域ｘが起点となり矢印Ａの方向に成長が進み、また、欠陥集中領域ｙが起点となり矢印Ｂの方向に成長が進む。このように異なる２方向に成長が起こった場合、その会合部とそれ以外の領域おいて層厚が変わり、表面平坦性が悪化する。
【００１１】
図１８は、線状の欠陥集中領域に垂直方向［１１−２０］と水平方向［１−１００］にラフネスを測定した図である。ラフネスの測定は、A SUBSIDIARY OF VEECO INSTRUMENTS INC社製DEKTAK3STを用いて測定した。測定条件として、測定長６００μｍ、測定時間３ｓ、触針圧３０ｍｇ、水平分解能１μｍ／ｓａｍｐｌｅで行っている。測定した６００μｍ幅の中で、最も高い部分と、最も低い部分の高低差は２００ｎｍにも及んでいる。但し、欠陥集中領域の大きな溝は除く。
【００１２】
また、会合部は非発光領域となることが分かった。以上より、ウェハー面内で各層の層厚が異なることが素子特性のばらつき要因になっているといえる。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑み、ウェハー面内の特性の均一化を図り歩留まりを向上させる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の窒化物半導体発光素子は、基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有し、基板の欠陥集中領域を含む部分に、低欠陥領域よりも掘り込まれた掘り込み領域を有するものである。さらに、前記掘り込み領域の端から前記欠陥集中領域の端までの距離は５μｍ以上であることを特徴とする。
【００１５】
このように、欠陥集中領域を掘り込むことにより、成長方向が均一になり表面平坦性が向上し、ウェハー面内の特性の均一化が図られて歩留まりを向上させることができる。
【００１６】
上記窒化物半導体発光素子において、前記欠陥集中領域は線状又は点状であり、前記掘り込み領域は線状である。そして、前記掘り込み領域の掘り込み深さは０．５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。また、前記窒化物半導体層はレーザ光導波領域であるリッジ部を有し、該リッジ部は、前記掘り込み領域の端から５μｍ以上離れて形成されることが好ましい。
【００１７】
また本発明の窒化物半導体発光素子は、基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有し、欠陥集中領域又は低欠陥領域が窪みを有し、該窪みを含む部分が掘り込まれた掘り込み領域を有するものである。
【００１８】
このように、窪みが存在する場合は窪み部分も掘り込むことにより、均一に成長し、表面平坦性を向上させることができる。
【００１９】
上記窒化物半導体発光素子において、前記窪みの深さが０．５μｍ以上、幅が１μｍ以上であることが好ましい。そして、前記掘り込み領域の掘り込み深さは０．５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。また、前記掘り込み領域の端から前記欠陥集中領域の端までの距離は５μｍ以上であることが好ましい。また、前記窒化物半導体層はレーザ光導波領域であるリッジ部を有し、該リッジ部は、前記掘り込み領域の端から５μｍ以上離れて形成されることが好ましい。
【００２０】
また本発明の窒化物半導体発光素子は、基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有し、窒化物半導体層が、レーザ光導波領域であるリッジ部を有し、該リッジ部と欠陥集中領域との間に、低欠陥領域よりも掘り込まれた掘り込み領域を有するものである。
【００２１】
このように、掘り込み領域は必ずしも欠陥集中領域に設ける必要はなく、リッジ部と欠陥集中領域との間に設けることにより、表面平坦性を確保することができる。
【００２２】
上記窒化物半導体発光素子において、前記掘り込み領域は線状である。そして、前記掘り込み領域の掘り込み深さは０．５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。また、前記掘り込み領域の端から前記欠陥集中領域の端までの距離が５μｍ以上であることが好ましい。また、前記リッジ部は、前記掘り込み領域の端から５μｍ以上離れて形成されることが好ましい。更に、前記掘り込み領域の幅が３μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
本明細書において、結晶の面や方位を示す指数が負の場合、絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書では、そのような表記ができないため、絶対値の前に負号「−」を付して負の指数を表す。
【００２４】
本発明において、基板とは従来例で説明した下地を除去してフリースタンディングの状態のＧａＮ基板を用いても良いし、下地のサファイアを取り除かず、そのままの状態で用いても良い。つまり窒化物半導体レーザの薄膜がＭＯＣＶＤ法で成長する前の基板の表面に、欠陥集中領域と低欠陥領域をもつ基板を用いる場合を考える。
【００２５】
【発明の実施の形態】
〈実施の形態１〉
図１（ａ）は窒化物半導体レーザ素子の断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の上面図である。ｎ型ＧａＮ基板１０中には、欠陥集中領域１１が存在し、欠陥集中領域１１以外の部分は低欠陥領域１２となっている。
【００２６】
本明細書において、欠陥集中領域とは、基板又は基板上に作製された窒化物半導体層を硫酸、燐酸の混合酸を２５０℃に加熱した液に浸してエッチングを行った結果、多数のエッチピットが現れ、欠陥（あるいは転位等）が極めて集中している領域を指す。一方、低欠陥領域とは、ＥＰＤ（エッチピット密度）１０4〜１０5／ｃｍ2台の領域を指す。欠陥集中領域のＥＰＤは、これよりも２桁以上大きい。なお、ＥＰＤを測定する方法としては、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の気相エッチングを用いても良いし、ＭＯＣＶＤ炉中で成長を止めて、高温（１０００℃程度）に晒すことによっても測定できる。測定手段としては、ＡＦＭ（atomic force microscope）、ＣＬ（cathode luminescence）、顕微ＰＬ（photo luminescence）等を用いることができる。
【００２７】
基板１０上には、窒化物半導体層（エピタキシャル成長層）１３が形成されている。また基板１０には、欠陥集中領域１１を含むように掘り込み領域１４が形成されている。掘り込み領域１４はＲＩＥによって掘り込まれた領域である。また、窒化物半導体層１３上面にレーザ光導波路構造であるリッジ部１５、電流狭窄を目的としたＳｉＯ2層１６、その上面にｐ型電極１７が形成されている。また基板１０下面には、ｎ型電極１８が形成されている。
【００２８】
本明細書において、リッジ部１５の中心と掘り込み領域１４の端との距離をｄで表す。図１（ａ）においてはｄ＝４０μｍとする。
【００２９】
図２は、窒化物半導体層１３の層構成を示す断面図である。窒化物半導体層１３は、ｎ型ＧａＮ層（層厚３．５μｍ）２０上にｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層（層厚２．３μｍ）２１、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層（層厚０．２μｍ）２２、ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層（層厚０．１μｍ）２３、ｎ型ＧａＮガイド層（層厚０．１μｍ）２４、ＩｎＧａＮ/ＧａＮ−３ＭＱＷ活性層（ＩｎＧａＮ/ＧａＮ層厚＝４ｎｍ/８ｎｍ）２５、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ蒸発防止層（層厚２０ｎｍ）２６、ｐ型ＧａＮガイド層（層厚０．０５μｍ）２７、ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎクラッド層（層厚０．５μｍ）２８、ｐ型ＧａＮコンタクト層２９（層厚０．１μｍ）が順番に積層されて構成される。
【００３０】
図１（ｂ）に示すように、線状の欠陥集中領域１１は［１−１００］方向に伸びている。上面から見た線状の欠陥は欠陥集中密度や種類によって形状が異なる場合があり、図３（ａ）〜（ｃ）に欠陥集中領域の形状の例を図示した。線状の欠陥集中領域（図３（ａ））、穴状の欠陥集中領域（図３（ｂ））、微細な穴状の欠陥集中領域が密集した状態（図３（ｃ））等がある。ここでの穴や線状コアのオーダーは１ｎｍ程度から数十μｍまでの大きさである。本実施の形態においては、図３（ａ）の場合を用いて説明する。なお、図３（ｂ）、（ｃ）の場合も同様の効果を生じる。
【００３１】
次に、製造方法について説明する。欠陥集中領域が線状になっているＧａＮ基板１０の製造方法は、従来例でも説明した通り、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板上に２．５μｍ厚の下地ＧａＮ層を成長させ、その上に周期的なストライプ状の開口部をもつＳｉＯ2マスクパターン（周期２０μｍ）を形成し、再びＭＯＣＶＤ法により１５μｍ厚のＧａＮ層を形成してウェハーを得る。ＳｉＯ2上は膜が成長しないため、開口部から成長が始まる。膜厚がＳｉＯ2より厚くなると、ＳｉＯ2上に開口部から横方向に成長する。ＳｉＯ2の中心部で左右から各々成長してきた膜が会合し、会合した部分は高い欠陥密度を有する欠陥集中領域１１となる。ＳｉＯ2が線状に形成されるため、欠陥集中領域１１も線状に形成される。ここで、欠陥集中領域１１の幅は約４０μｍであり、欠陥集中領域１１どうしの間隔は約４００μｍである。
【００３２】
ここでは、ＥＬＯＧ法を用いた基板の作製方法を示したが、他の作製方法を用いることもできる。欠陥集中領域と低欠陥領域が存在する基板を用いて、その基板上に窒化物半導体層を成長させる方法であれば良く、基板はサファイアであっても、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ基板、またスピネル基板、ＺｎＯ基板等であっても構わない。
【００３３】
次に、この基板１０の全面にＳｉＯ2等を膜厚４００ｎｍでＥＢ蒸着し、その後、一般的なフォトリソ工程により、レジストで[１−１００]方向に欠陥集中領域を含むように幅６０μｍのストライプのウィンドウを形成する。その後ＩＣＰ、もしくはＲＩＥにより、ＳｉＯ2及びＧａＮ基板１０をエッチングする。ＧａＮ基板１０のエッチング深さは４μｍとする。その後、ＨＦなどのエッチャントによりＳｉＯ2を除去して窒化物半導体層１３を成長する前の基板処理を終了する。
【００３４】
このようにして得られた基板１０を図４に示した。図４（ａ）は基板１０の上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面図である。１４ａは欠陥集中領域１１を含むようにＲＩＥでエッチングした領域であり、その深さをＸで示す。本明細書においてエッチング方法は、気相エッチングを用いても良いし、液相のエッチャントを用いて行ってもよい。
【００３５】
そして、この基板１０上に窒化物半導体層１３を積層し、リッジ部１５、ＳｉＯ2層１６、ｐ電極１７、ｎ電極１８を形成する。
【００３６】
上記のように、基板１０の欠陥集中領域１１をＲＩＥで掘り込み、基板１０に窒化物半導体層１３を積層した場合、掘り込み領域１４の表面平坦性は非常に荒れており、図１６に示した従来の窒化物半導体レーザ素子のラフネス（図１８参照）と同レベルであった。しかし、図５（ｂ）に示すように、掘り込み領域１４以外の掘り込まれていない領域を測定した６００μｍ幅の中で、最も高い部分と最も低い部分の高低差は２０ｎｍ以下であった。但し、図５（ａ）に示す欠陥集中領域１１の溝部のくぼみは除く。
【００３７】
この理由に関して図６を用いて説明する。図６（ａ）は線状の欠陥集中領域１１を有した窒化物半導体層１３の成長時の上面図、図６（ｂ）は点状の欠陥集中領域１１を有した窒化物半導体層１３の成長時の上面図である。図１７のように欠陥集中領域１１の形状により成長方向が面内でばらついていた場合と明らかに異なり、掘り込み領域１４の形成によって成長方向が図６の矢印Ｃ、Ｄに示すようにほぼ同一方向になり、成長方向の違いによる会合部は生じなくなる。このため、各層厚が面内でばらつくことなく均一になる。
【００３８】
また、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、掘り込み領域１４により欠陥集中領域１１の形状に依存せずに面内の成長方向を均一にすることができるため、表面平坦性を改善するために有効である。
【００３９】
この非常に平坦な領域にリッジ部１５を形成することにより、素子特性の面内分布を抑え歩留まりを飛躍的に改善することができる。このようにして得られた半導体レーザ素子をＡＰＣ駆動で６０℃、３０ｍＷで寿命試験を行った。ここで示す寿命とは、寿命試験を行う前のＩop（光出力が３０ｍＷ時の電流値）が寿命試験によって１．５倍になった時点の時間をいう。各素子の発光波長は４０５±５ｎｍであった。各ウェハーから無作為に５０素子を取り出し、半導体レーザ素子の寿命が３０００時間を越えた数を歩留まりとして調べた。
【００４０】
その結果、歩留まりは８０％を超えるものであった。なお、従来例に示した基板１０にそのまま窒化物半導体層１３を成長させた場合には、歩留まりは３０％以下であった。このように、窒化物半導体層１３の表面平坦性（掘り込み領域１４以外）の改善が、ウェハー面内の各層厚、組成の均一化を可能にし、歩留まりの向上に繋がるといえる。
【００４１】
次に、図４に示した掘り込み領域１４の深さＸに関して検討する。図７に掘り込み深さＸと歩留まりの相関を示した。図７では掘り込み深さＸが５μｍまでしか図示されていないが、それ以上の深さの場合も８０％を超える歩留りであった。掘り込み深さＸが０．５μｍ未満であると、下地であるｎ型ＧａＮが成長した際に掘り込み領域がすぐに埋まってしまい、掘り込み領域１４の表面平坦性の悪さが伝播してしまい、掘り込み領域１４以外の表面平坦性を悪化させる。また、Ｘ＝５０μｍ以上の場合は、通常素子分割のために基板を研削、研磨するが、この工程の際に割れ等が発生して歩留まりを落とすことが分かった。このため、掘り込み深さＸは０．５μｍ以上５０μｍ以下が良い。
【００４２】
次に、掘り込み領域１４の位置に関して検討する。図８（ａ）は線状の欠陥集中領域を有した基板１０の上面図、図８（ｂ）は点状の欠陥集中領域を有した基板１０の上面図である。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、欠陥集中領域１１の端から掘り込み領域１４の端までの距離をＹとする。ここで、欠陥集中領域１１の幅方向の両端において距離Ｙが異なるが、距離の短い方を距離Ｙと定義する。
【００４３】
図９に、距離Ｙと歩留まりの相関を図示した。距離Ｙが５μｍ未満である場合、欠陥集中領域１１の結晶性の悪い部分を完全に掘り込み領域１４に含むことができず、掘り込み領域１４以外に含むことになるため、歩留まりの低下が見られた。従って、距離Ｙは５μｍ以上であることが好ましい。
【００４４】
次に、リッジ部１５の位置に関して検討する。リッジ部１５の位置は図１に示す距離ｄで規定される。この距離ｄが５μｍ未満の場合は、エッジグロース（掘り込まれていない領域の端部分の成長速度が上がり、層厚が厚くなる）により層厚が異なるために好ましくない。従って、距離ｄが５μｍ以上であれば問題はない。
【００４５】
そして、従来例の窒化物半導体レーザ素子では、窒化物半導体層１３中の１ｃｍ角の面積の中に５〜７本のクラックが入っていた。これは、窒化物半導体層１３の中に含まれるＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮ層の格子定数の違い、または熱膨張係数の違いから生じる歪によって引き起こされると考えられる。このように、クラックが存在すると、クラックをチップ内に含んだ窒化物半導体素子は著しく特性を悪化させ歩留まりを落とすことになる。
【００４６】
それに対して、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子では、１ｃｍ角の面積の中にクラックは０本であった。このように、本実施の形態を用いた場合には、窒化物半導体層１３中のクラックを著しく低減することが可能である。これは、窒化物半導体層１３に内在する歪が、掘り込み領域１４の存在により開放されるためと考えられる。
【００４７】
〈実施の形態２〉
本実施の形態においては、欠陥集中領域１１が点状の場合について説明する。基板１０の欠陥集中領域１１が点状である以外、実施の形態１とプロセス、構造等同じである。
【００４８】
従来例のように掘り込み領域１４を形成しない場合は、欠陥集中領域１１から円状に窒化物半導体層１３が成長し、その会合部では大きな平坦性の悪化が生じた。そして、表面ラフネスを測定した結果、表面の高低差は２００ｎｍにも及んだ。
【００４９】
図１０は、点状の欠陥集中領域１１を有した基板１０の上面図である。点状の欠陥集中領域１１を含む線状に掘り込み領域１４を形成することにより、表面平坦性の改善を行うことができる。
【００５０】
実施の形態１の方法により作製したウェハーの表面平坦性を測定した結果、表面の高低差は２０ｎｍ以下であった。また、歩留まりは、実施の形態１とほぼ同様な結果が得られた。また、掘り込み領域の深さＸや距離Ｙや距離ｄも実施の形態１と同様とすることが好ましい。
【００５１】
〈実施の形態３〉
本実施の形態においては、窪みが存在する基板を用いる。この窪みは欠陥集中領域１１以外に形成されていてもよい。用いる基板以外は、実施の形態１とプロセス、構造等同じである。
【００５２】
窪みとしては様々な形状が考えられる。図１１に、窪みの形状の例を示す。図１１（ａ）は基板の上面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の断面図である。これらの窪み３０ａ〜３０ｃの幅をＺ、深さをＶとする。幅Ｚが１μｍ以上で深さＶが０．５μｍ以上であった場合、窪みの形状に応じて、異なる方向に窒化物半導体層１３の成長が起こることが実験により分かった。一方、これより小さくて浅い場合には窪みは埋まってしまい、成長方向に影響を与えることはないが、表面の平坦性が悪化する。
【００５３】
この窪みの領域を実施の形態１に記載したように、ＲＩＥ法等により、気相エッチングにより掘り込む。その後、実施の形態１の方法によりウェハーを作製し、表面平坦性を測定すると表面の高低差は２０ｎｍ以下であった。一方、従来例のように、掘り込み領域１４を形成せずに窒化物半導体層１３を成長させた場合、表面の高低差は２００ｎｍ以上と大幅に悪化してしまった。
【００５４】
また、歩留まりは、実施の形態１とほぼ同様な結果が得られた。また、掘り込み領域の深さＸや距離Ｙや距離ｄも実施の形態１と同様とすることが好ましい。
【００５５】
〈実施の形態４〉
本実施の形態においては、欠陥集中領域１１を含む掘り込み領域１４の他にも掘り込みを形成した半導体レーザ素子について説明する。基板１０の掘り込み領域の位置以外は、実施の形態１とプロセス、構造等同じである。
【００５６】
図１２（ａ）は実施の形態４の基板の上面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の断面図である。掘り込み領域として、欠陥集中領域１１を含む掘り込み領域１４と、低欠陥領域１２中に形成された掘り込み領域１４ａとが存在する。
【００５７】
この掘り込み領域１４ａは、低欠陥領域に欠陥や成長面が異なる領域等の異常成長箇所が含まれていた場合に、その影響が広範囲に及ぶのを防ぐことを目的としている。図１３（ａ）は掘り込み領域１４ａを有しない場合の窒化物半導体層１３の成長時の上面図、図６（ｂ）は掘り込み領域１４ａを有する場合の窒化物半導体層１３の成長時の上面図である。図１６（ａ）に示すように、もし低欠陥領域１２にイレギュラーに欠陥等が存在した場合、そこは掘り込まれていないため異常成長が起こり、低欠陥領域１２に広範囲に広がることになる。しかし、低欠陥領域１２にも掘り込み領域１４ａを形成することにより、図１６（ｂ）に示すように、異常成長の伝播を防ぐことができることが分かった。つまり、図１６（ｂ）の低欠陥領域１２ａで発生した異常成長も掘り込み領域１４ａにより伝播が止まり、低欠陥領域１２ｂは表面平坦性の高い領域を保つことができる。
【００５８】
低欠陥領域１２ａで発生した異常成長が低欠陥領域１２ｂに伝播せず、表面平坦性の高低差が２０ｎｍ以下に抑えられる条件は、掘り込み領域１４ａの幅が３μｍ以上であった。３μｍ以下の幅では掘り込み領域１４ａが埋まってしまい、異常成長を止める効果はなかった。また、幅が２００μｍより大きくなると、低欠陥領域１２の面積が狭くなり、従ってｐ電極１７等を作りこむ領域が狭くなり、プロセス歩留まりが落ちるため好ましくない。
【００５９】
また、掘り込み領域１４ａの掘り込み深さも実施の形態１と同様の理由により、掘り込み深さＸは０．５μｍ以上５０μｍ以下が良い。
【００６０】
なお、掘り込み領域１４ａは掘り込み領域１４間に複数本設けてもよく、形成位置も低欠陥領域内であれば、どこに形成しても効果は同じである。
【００６１】
〈実施の形態５〉
本実施の形態は、欠陥集中領域１１をＲＩＥ等のエッチング法を用いて掘り込むことをせず、欠陥集中領域１１の両端に掘り込み領域を作ることにより、窒化物半導体層１３の表面平坦性を改善し半導体レーザ素子の特性の面内歩留まりを大幅に改善するものである。なお、基板１０の掘り込み領域の位置以外は、実施の形態１とプロセス、構造等同じである。
【００６２】
図１４（ａ）は実施の形態５の基板の上面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の断面図である。欠陥集中領域１１の両側に掘り込み領域１４ｂが設けられている。例えば、掘り込み領域１４ｂの幅は２０μｍ、深さは３μｍとすることができる。１７５は掘り込み領域１４ｂ間の低欠陥領域であり、リッジ部形成領域と称する。リッジ部形成領域とは、この基板１０上に窒化物半導体層１３を成長し、更に窒化物半導体レーザ素子を作りこむ際に、光導波領域であるリッジ部を作製する領域をいう。
【００６３】
図１４の基板１０に窒化物半導体層１３をエピタキシャル成長させる。そして、そのウェハーに窒化物半導体レーザ素子を作製する。図１５（ａ）は実施の形態５の窒化物半導体レーザ素子の断面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の上面図である。図１（ａ）と同様に、リッジ部１５の中心と掘り込み領域１４ｂの端との距離をｄで表すとき、ｄ＝１００μｍとする。
【００６４】
本実施の形態のように、基板１０の欠陥集中領域１１の両脇に掘り込み領域１４ｂを設け、その基板１０に窒化物半導体層１３を成長させた場合、欠陥集中領域１１を含む掘り込み領域１４ｂに挟まれた領域の表面平坦性は非常に荒れている。
【００６５】
しかし、図１４で示したリッジ部形成領域１２ｃの表面平坦性は窒化物半導体層１３をエピタキシャル成長させた後であっても、表面平坦性を測定した６００μｍ幅の中で最も高い部分と最も低い部分の高低差は２０ｎｍ以下であった。この理由として、図１３の掘り込み領域１４ａと同様の作用によって、異常成長領域の伝播を止めることができるものと考えられる。従って、欠陥集中領域１１を掘り込まなくても、欠陥集中領域１１を含むように低欠陥領域１２に掘り込み領域１４ｂを形成することにより、表面平坦性を改善することができることが分かった。それにより、素子特性の面内分布を抑え歩留まりを飛躍的に改善することができる。
【００６６】
また、歩留まりは、実施の形態１とほぼ同様な結果が得られた。また、掘り込み領域の深さＸや距離Ｙや距離ｄも実施の形態１と同様とすることが好ましい。
【００６７】
また、表面平坦性の高低差が２０ｎｍ以下に抑えられる条件として、掘り込み領域１４ｂの幅は３μｍ以上１５０μｍ以下が好ましい。３μｍ以下の幅であった場合、掘り込み領域１４ｂが埋まってしまい、欠陥集中領域１１の異常成長が低欠陥領域１２へ伝播する。また、１５０μｍより幅が大きくなると、低欠陥領域１２の面積が狭くなり、従ってｐ電極１７等を作りこむ領域が狭くなり、プロセス歩留まりが落ちるため好ましくない。
【００６８】
また、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子では、１ｃｍ角の面積の中にクラックは０本であった。このように、本実施の形態を用いた場合には、窒化物半導体層１３中のクラックを著しく低減することが可能である。理由に関しては、実施の形態１に記載した理由と同じである。
【００６９】
【発明の効果】
基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有する場合に、基板の所定箇所に低欠陥領域よりも掘り込まれた掘り込み領域を設けることにより、成長方向が均一になり表面平坦性が向上し、ウェハー面内の特性の均一化が図られて歩留まりを向上させることができる。
【００７０】
また、掘り込み領域を設けることにより、窒化物半導体層に内在する歪みを開放することができ、クラックの発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
（ｂ）は図１（ａ）の上面図である。
【図２】 窒化物半導体層の層構成を示す断面図である。
【図３】（ａ）欠陥集中領域付近を拡大した上面図の一例である。
（ｂ）欠陥集中領域付近を拡大した上面図の一例である。
（ｃ）欠陥集中領域付近を拡大した上面図の一例である。
【図４】（ａ）実施の形態１の基板の上面図である。
（ｂ）図４（ａ）の断面図である。
【図５】（ａ）［１１−２０］方向の表面平坦性を示す図である。
（ｂ）［１−１００］方向の表面平坦性を示す図である。
【図６】（ａ）線状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図である。
（ｂ）点状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図である。
【図７】 掘り込み深さＸと歩留まりの相関を示す図である。
【図８】（ａ）線状の欠陥集中領域を有した基板の上面図である。
（ｂ）は点状の欠陥集中領域を有した基板の上面図である。
【図９】 距離Ｙと歩留まりの相関を示す図である。
【図１０】 実施の形態２の点状の欠陥集中領域を有した基板の上面図である。
【図１１】（ａ）実施の形態３の基板の上面図である。
（ｂ）図１１（ａ）の断面図である。
【図１２】（ａ）実施の形態４の基板の上面図である。
（ｂ）図１２（ａ）の断面図である。
【図１３】（ａ）掘り込み領域を有しない場合の窒化物半導体層の成長時の上面図である。
（ｂ）掘り込み領域を有する場合の窒化物半導体層の成長時の上面図である。
【図１４】（ａ）実施の形態５の基板の上面図である。
（ｂ）図１４（ａ）の断面図である。
【図１５】（ａ）実施の形態５の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
（ｂ）図１５（ａ）の上面図である。
【図１６】（ａ）従来の半導体レーザ素子の断面図である。
（ｂ）図１６（ａ）の上面図である。
【図１７】（ａ）従来の線状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図である。
（ｂ）従来の点状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図である。
【図１８】（ａ）従来の窒化物半導体レーザ素子の［１１−２０］方向の表面平坦性を示す図である。
（ｂ）従来の窒化物半導体レーザ素子の［１−１００］方向の表面平坦性を示す図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１１ 欠陥集中領域
１２ 低欠陥領域
１３ 窒化物半導体層
１４ 掘り込み領域
１５ リッジ部
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子などの窒化物半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体材料により、紫外から可視領域で発振する半導体レーザ素子が試作されている。基板には、ＧａＮ基板が用いられることが多く、各研究機関において精力的に研究されている。現在、十分な寿命の半導体レーザ素子が得られておらず、更なる長寿命化が必要とされている。この半導体レーザ素子の寿命は、ＧａＮ基板に元々存在する欠陥（本明細書において欠陥とは、結晶中の空孔、格子間原子、転位等を指す）密度に強く依存することが知られている。しかし、長寿命化に効果があると言われる欠陥密度の低い基板は得られにくく、盛んに研究されている。
【０００３】
一例として、ＧａＮ基板の製造には次の方法を用いることが非特許文献１に報告されている。ＭＯＣＶＤ法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）により、サファイア基板上に２．０μｍ厚の下地ＧａＮ層を成長させ、その上に０．１μｍの膜厚の周期的なストライプ状の開口部をもつＳｉＯ2マスクパターンを形成し、再びＭＯＣＶＤ法により２０μｍ厚のＧａＮ層を形成してウェハーを得る。これは、ＥＬＯＧ（Epitaxially Lateral Overgrown）と呼ばれる技術であり、ラテラル成長の利用により欠陥を低減する手法である。
【０００４】
さらに、ＨＶＰＥ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy）により２００μｍ厚のＧａＮ層を形成し、下地であるサファイア基板を除去することで１５０μｍ厚のＧａＮ基板を作製する。次に、得られたＧａＮ基板の表面を平坦に研磨する。このようにして得られた基板には基板面内に欠陥集中領域と低欠陥領域とを含むことになる。一般的には、ＳｉＯ2上の一部に欠陥を多く含む欠陥集中領域と、ＳｉＯ2上の残りの低欠陥領域とに分けられる場合が多い。
【０００５】
【非特許文献１】
Applied Physics Letter. Vol.73 No.6 (1998) pp.832-834
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、欠陥集中領域と低陥領域を含む基板上に窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法等により成長させた場合、それから作製される半導体レーザ素子の特性がばらつき、大きく歩留まりを下げていた。
【０００７】
欠陥集中領域と低欠陥領域を含む基板上に窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法等により成長させた場合、半導体レーザ素子の特性がばらつき、大きく歩留まりを下げる原因を解明すべく、鋭意研究を行った結果、膜表面の平坦性が悪く凸凹した表面モフォロジーになっていることが原因であることが分かった。凸凹した膜上に窒化物半導体層（特に活性層と呼ばれるＩｎＧａＮ層）を成長した場合、層厚や組成が凸凹に依存して面内で異なり、設定値から大きくずれるためである。更に、凸凹した表面モフォロジーは、窒化物半導体層の欠陥集中領域の形状に大きく依存していることを突き止めた。つまり欠陥集中領域の形状に、薄膜の成長方向や成長モードが強く依存し、欠陥集中領域の形状が不均一であると、膜表面の平坦性が悪くなり、凸凹した表面モフォロジーになることが分かった。この凸凹の表面に活性層等の薄膜を成長することにより、素子の特性がばらつくのである。
【０００８】
上記の考察を導いた実験について説明する。まず、欠陥集中領域と低欠陥領域が存在する基板上に窒化物半導体層を成長させる場合について説明する。図１６（ａ）は従来の半導体レーザ素子の断面図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）の上面図である。１０が欠陥集中領域と低欠陥領域の存在する基板であり、１１が欠陥集中領域、１２が低欠陥領域、１３が窒化物半導体層、１３ａが窒化物半導体層の表面である。
【０００９】
基板１０上にそのまま（基板等に前処理などしないで）窒化物半導体層を成長させた場合、欠陥集中領域は低欠陥領域に比べ結晶性が悪く、また低欠陥領域と異なる成長面が出ることがあり、低欠陥領域と大きく成長速度が異なる。このため、低欠陥領域よりも欠陥集中領域の成長速度が遅くほとんど成長は起こらない。
【００１０】
図１７（ａ）は線状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図、図１７（ｂ）は点状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図である。欠陥集中領域で成長がほとんど起こらないため、欠陥集中領域ｘが起点となり矢印Ａの方向に成長が進み、また、欠陥集中領域ｙが起点となり矢印Ｂの方向に成長が進む。このように異なる２方向に成長が起こった場合、その会合部とそれ以外の領域おいて層厚が変わり、表面平坦性が悪化する。
【００１１】
図１８は、線状の欠陥集中領域に垂直方向［１１−２０］と水平方向［１−１００］にラフネスを測定した図である。ラフネスの測定は、A SUBSIDIARY OF VEECO INSTRUMENTS INC社製DEKTAK3STを用いて測定した。測定条件として、測定長６００μｍ、測定時間３ｓ、触針圧３０ｍｇ、水平分解能１μｍ／ｓａｍｐｌｅで行っている。測定した６００μｍ幅の中で、最も高い部分と、最も低い部分の高低差は２００ｎｍにも及んでいる。但し、欠陥集中領域の大きな溝は除く。
【００１２】
また、会合部は非発光領域となることが分かった。以上より、ウェハー面内で各層の層厚が異なることが素子特性のばらつき要因になっているといえる。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑み、ウェハー面内の特性の均一化を図り歩留まりを向上させる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の窒化物半導体発光素子は、基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有し、基板の欠陥集中領域を含む部分に、低欠陥領域よりも掘り込まれた掘り込み領域を有するものである。さらに、前記掘り込み領域の端から前記欠陥集中領域の端までの距離は５μｍ以上であることを特徴とする。
【００１５】
このように、欠陥集中領域を掘り込むことにより、成長方向が均一になり表面平坦性が向上し、ウェハー面内の特性の均一化が図られて歩留まりを向上させることができる。
【００１６】
上記窒化物半導体発光素子において、前記欠陥集中領域は線状又は点状であり、前記掘り込み領域は線状である。そして、前記掘り込み領域の掘り込み深さは０．５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。また、前記窒化物半導体層はレーザ光導波領域であるリッジ部を有し、該リッジ部は、前記掘り込み領域の端から５μｍ以上離れて形成されることが好ましい。
【００１７】
また本発明の窒化物半導体発光素子は、基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有し、欠陥集中領域又は低欠陥領域が窪みを有し、該窪みを含む部分が掘り込まれた掘り込み領域を有するものである。
【００１８】
このように、窪みが存在する場合は窪み部分も掘り込むことにより、均一に成長し、表面平坦性を向上させることができる。
【００１９】
上記窒化物半導体発光素子において、前記窪みの深さが０．５μｍ以上、幅が１μｍ以上であることが好ましい。そして、前記掘り込み領域の掘り込み深さは０．５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。また、前記掘り込み領域の端から前記欠陥集中領域の端までの距離は５μｍ以上であることが好ましい。また、前記窒化物半導体層はレーザ光導波領域であるリッジ部を有し、該リッジ部は、前記掘り込み領域の端から５μｍ以上離れて形成されることが好ましい。
【００２０】
また本発明の窒化物半導体発光素子は、基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有し、窒化物半導体層が、レーザ光導波領域であるリッジ部を有し、該リッジ部と欠陥集中領域との間に、低欠陥領域よりも掘り込まれた掘り込み領域を有するものである。
【００２１】
このように、掘り込み領域は必ずしも欠陥集中領域に設ける必要はなく、リッジ部と欠陥集中領域との間に設けることにより、表面平坦性を確保することができる。
【００２２】
上記窒化物半導体発光素子において、前記掘り込み領域は線状である。そして、前記掘り込み領域の掘り込み深さは０．５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。また、前記掘り込み領域の端から前記欠陥集中領域の端までの距離が５μｍ以上であることが好ましい。また、前記リッジ部は、前記掘り込み領域の端から５μｍ以上離れて形成されることが好ましい。更に、前記掘り込み領域の幅が３μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
本明細書において、結晶の面や方位を示す指数が負の場合、絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書では、そのような表記ができないため、絶対値の前に負号「−」を付して負の指数を表す。
【００２４】
本発明において、基板とは従来例で説明した下地を除去してフリースタンディングの状態のＧａＮ基板を用いても良いし、下地のサファイアを取り除かず、そのままの状態で用いても良い。つまり窒化物半導体レーザの薄膜がＭＯＣＶＤ法で成長する前の基板の表面に、欠陥集中領域と低欠陥領域をもつ基板を用いる場合を考える。
【００２５】
【発明の実施の形態】
〈実施の形態１〉
図１（ａ）は窒化物半導体レーザ素子の断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の上面図である。ｎ型ＧａＮ基板１０中には、欠陥集中領域１１が存在し、欠陥集中領域１１以外の部分は低欠陥領域１２となっている。
【００２６】
本明細書において、欠陥集中領域とは、基板又は基板上に作製された窒化物半導体層を硫酸、燐酸の混合酸を２５０℃に加熱した液に浸してエッチングを行った結果、多数のエッチピットが現れ、欠陥（あるいは転位等）が極めて集中している領域を指す。一方、低欠陥領域とは、ＥＰＤ（エッチピット密度）１０4〜１０5／ｃｍ2台の領域を指す。欠陥集中領域のＥＰＤは、これよりも２桁以上大きい。なお、ＥＰＤを測定する方法としては、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の気相エッチングを用いても良いし、ＭＯＣＶＤ炉中で成長を止めて、高温（１０００℃程度）に晒すことによっても測定できる。測定手段としては、ＡＦＭ（atomic force microscope）、ＣＬ（cathode luminescence）、顕微ＰＬ（photo luminescence）等を用いることができる。
【００２７】
基板１０上には、窒化物半導体層（エピタキシャル成長層）１３が形成されている。また基板１０には、欠陥集中領域１１を含むように掘り込み領域１４が形成されている。掘り込み領域１４はＲＩＥによって掘り込まれた領域である。また、窒化物半導体層１３上面にレーザ光導波路構造であるリッジ部１５、電流狭窄を目的としたＳｉＯ2層１６、その上面にｐ型電極１７が形成されている。また基板１０下面には、ｎ型電極１８が形成されている。
【００２８】
本明細書において、リッジ部１５の中心と掘り込み領域１４の端との距離をｄで表す。図１（ａ）においてはｄ＝４０μｍとする。
【００２９】
図２は、窒化物半導体層１３の層構成を示す断面図である。窒化物半導体層１３は、ｎ型ＧａＮ層（層厚３．５μｍ）２０上にｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層（層厚２．３μｍ）２１、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層（層厚０．２μｍ）２２、ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層（層厚０．１μｍ）２３、ｎ型ＧａＮガイド層（層厚０．１μｍ）２４、ＩｎＧａＮ/ＧａＮ−３ＭＱＷ活性層（ＩｎＧａＮ/ＧａＮ層厚＝４ｎｍ/８ｎｍ）２５、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ蒸発防止層（層厚２０ｎｍ）２６、ｐ型ＧａＮガイド層（層厚０．０５μｍ）２７、ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎクラッド層（層厚０．５μｍ）２８、ｐ型ＧａＮコンタクト層２９（層厚０．１μｍ）が順番に積層されて構成される。
【００３０】
図１（ｂ）に示すように、線状の欠陥集中領域１１は［１−１００］方向に伸びている。上面から見た線状の欠陥は欠陥集中密度や種類によって形状が異なる場合があり、図３（ａ）〜（ｃ）に欠陥集中領域の形状の例を図示した。線状の欠陥集中領域（図３（ａ））、穴状の欠陥集中領域（図３（ｂ））、微細な穴状の欠陥集中領域が密集した状態（図３（ｃ））等がある。ここでの穴や線状コアのオーダーは１ｎｍ程度から数十μｍまでの大きさである。本実施の形態においては、図３（ａ）の場合を用いて説明する。なお、図３（ｂ）、（ｃ）の場合も同様の効果を生じる。
【００３１】
次に、製造方法について説明する。欠陥集中領域が線状になっているＧａＮ基板１０の製造方法は、従来例でも説明した通り、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板上に２．５μｍ厚の下地ＧａＮ層を成長させ、その上に周期的なストライプ状の開口部をもつＳｉＯ2マスクパターン（周期２０μｍ）を形成し、再びＭＯＣＶＤ法により１５μｍ厚のＧａＮ層を形成してウェハーを得る。ＳｉＯ2上は膜が成長しないため、開口部から成長が始まる。膜厚がＳｉＯ2より厚くなると、ＳｉＯ2上に開口部から横方向に成長する。ＳｉＯ2の中心部で左右から各々成長してきた膜が会合し、会合した部分は高い欠陥密度を有する欠陥集中領域１１となる。ＳｉＯ2が線状に形成されるため、欠陥集中領域１１も線状に形成される。ここで、欠陥集中領域１１の幅は約４０μｍであり、欠陥集中領域１１どうしの間隔は約４００μｍである。
【００３２】
ここでは、ＥＬＯＧ法を用いた基板の作製方法を示したが、他の作製方法を用いることもできる。欠陥集中領域と低欠陥領域が存在する基板を用いて、その基板上に窒化物半導体層を成長させる方法であれば良く、基板はサファイアであっても、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ基板、またスピネル基板、ＺｎＯ基板等であっても構わない。
【００３３】
次に、この基板１０の全面にＳｉＯ2等を膜厚４００ｎｍでＥＢ蒸着し、その後、一般的なフォトリソ工程により、レジストで[１−１００]方向に欠陥集中領域を含むように幅６０μｍのストライプのウィンドウを形成する。その後ＩＣＰ、もしくはＲＩＥにより、ＳｉＯ2及びＧａＮ基板１０をエッチングする。ＧａＮ基板１０のエッチング深さは４μｍとする。その後、ＨＦなどのエッチャントによりＳｉＯ2を除去して窒化物半導体層１３を成長する前の基板処理を終了する。
【００３４】
このようにして得られた基板１０を図４に示した。図４（ａ）は基板１０の上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面図である。１４ａは欠陥集中領域１１を含むようにＲＩＥでエッチングした領域であり、その深さをＸで示す。本明細書においてエッチング方法は、気相エッチングを用いても良いし、液相のエッチャントを用いて行ってもよい。
【００３５】
そして、この基板１０上に窒化物半導体層１３を積層し、リッジ部１５、ＳｉＯ2層１６、ｐ電極１７、ｎ電極１８を形成する。
【００３６】
上記のように、基板１０の欠陥集中領域１１をＲＩＥで掘り込み、基板１０に窒化物半導体層１３を積層した場合、掘り込み領域１４の表面平坦性は非常に荒れており、図１６に示した従来の窒化物半導体レーザ素子のラフネス（図１８参照）と同レベルであった。しかし、図５（ｂ）に示すように、掘り込み領域１４以外の掘り込まれていない領域を測定した６００μｍ幅の中で、最も高い部分と最も低い部分の高低差は２０ｎｍ以下であった。但し、図５（ａ）に示す欠陥集中領域１１の溝部のくぼみは除く。
【００３７】
この理由に関して図６を用いて説明する。図６（ａ）は線状の欠陥集中領域１１を有した窒化物半導体層１３の成長時の上面図、図６（ｂ）は点状の欠陥集中領域１１を有した窒化物半導体層１３の成長時の上面図である。図１７のように欠陥集中領域１１の形状により成長方向が面内でばらついていた場合と明らかに異なり、掘り込み領域１４の形成によって成長方向が図６の矢印Ｃ、Ｄに示すようにほぼ同一方向になり、成長方向の違いによる会合部は生じなくなる。このため、各層厚が面内でばらつくことなく均一になる。
【００３８】
また、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、掘り込み領域１４により欠陥集中領域１１の形状に依存せずに面内の成長方向を均一にすることができるため、表面平坦性を改善するために有効である。
【００３９】
この非常に平坦な領域にリッジ部１５を形成することにより、素子特性の面内分布を抑え歩留まりを飛躍的に改善することができる。このようにして得られた半導体レーザ素子をＡＰＣ駆動で６０℃、３０ｍＷで寿命試験を行った。ここで示す寿命とは、寿命試験を行う前のＩop（光出力が３０ｍＷ時の電流値）が寿命試験によって１．５倍になった時点の時間をいう。各素子の発光波長は４０５±５ｎｍであった。各ウェハーから無作為に５０素子を取り出し、半導体レーザ素子の寿命が３０００時間を越えた数を歩留まりとして調べた。
【００４０】
その結果、歩留まりは８０％を超えるものであった。なお、従来例に示した基板１０にそのまま窒化物半導体層１３を成長させた場合には、歩留まりは３０％以下であった。このように、窒化物半導体層１３の表面平坦性（掘り込み領域１４以外）の改善が、ウェハー面内の各層厚、組成の均一化を可能にし、歩留まりの向上に繋がるといえる。
【００４１】
次に、図４に示した掘り込み領域１４の深さＸに関して検討する。図７に掘り込み深さＸと歩留まりの相関を示した。図７では掘り込み深さＸが５μｍまでしか図示されていないが、それ以上の深さの場合も８０％を超える歩留りであった。掘り込み深さＸが０．５μｍ未満であると、下地であるｎ型ＧａＮが成長した際に掘り込み領域がすぐに埋まってしまい、掘り込み領域１４の表面平坦性の悪さが伝播してしまい、掘り込み領域１４以外の表面平坦性を悪化させる。また、Ｘ＝５０μｍ以上の場合は、通常素子分割のために基板を研削、研磨するが、この工程の際に割れ等が発生して歩留まりを落とすことが分かった。このため、掘り込み深さＸは０．５μｍ以上５０μｍ以下が良い。
【００４２】
次に、掘り込み領域１４の位置に関して検討する。図８（ａ）は線状の欠陥集中領域を有した基板１０の上面図、図８（ｂ）は点状の欠陥集中領域を有した基板１０の上面図である。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、欠陥集中領域１１の端から掘り込み領域１４の端までの距離をＹとする。ここで、欠陥集中領域１１の幅方向の両端において距離Ｙが異なるが、距離の短い方を距離Ｙと定義する。
【００４３】
図９に、距離Ｙと歩留まりの相関を図示した。距離Ｙが５μｍ未満である場合、欠陥集中領域１１の結晶性の悪い部分を完全に掘り込み領域１４に含むことができず、掘り込み領域１４以外に含むことになるため、歩留まりの低下が見られた。従って、距離Ｙは５μｍ以上であることが好ましい。
【００４４】
次に、リッジ部１５の位置に関して検討する。リッジ部１５の位置は図１に示す距離ｄで規定される。この距離ｄが５μｍ未満の場合は、エッジグロース（掘り込まれていない領域の端部分の成長速度が上がり、層厚が厚くなる）により層厚が異なるために好ましくない。従って、距離ｄが５μｍ以上であれば問題はない。
【００４５】
そして、従来例の窒化物半導体レーザ素子では、窒化物半導体層１３中の１ｃｍ角の面積の中に５〜７本のクラックが入っていた。これは、窒化物半導体層１３の中に含まれるＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮ層の格子定数の違い、または熱膨張係数の違いから生じる歪によって引き起こされると考えられる。このように、クラックが存在すると、クラックをチップ内に含んだ窒化物半導体素子は著しく特性を悪化させ歩留まりを落とすことになる。
【００４６】
それに対して、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子では、１ｃｍ角の面積の中にクラックは０本であった。このように、本実施の形態を用いた場合には、窒化物半導体層１３中のクラックを著しく低減することが可能である。これは、窒化物半導体層１３に内在する歪が、掘り込み領域１４の存在により開放されるためと考えられる。
【００４７】
〈実施の形態２〉
本実施の形態においては、欠陥集中領域１１が点状の場合について説明する。基板１０の欠陥集中領域１１が点状である以外、実施の形態１とプロセス、構造等同じである。
【００４８】
従来例のように掘り込み領域１４を形成しない場合は、欠陥集中領域１１から円状に窒化物半導体層１３が成長し、その会合部では大きな平坦性の悪化が生じた。そして、表面ラフネスを測定した結果、表面の高低差は２００ｎｍにも及んだ。
【００４９】
図１０は、点状の欠陥集中領域１１を有した基板１０の上面図である。点状の欠陥集中領域１１を含む線状に掘り込み領域１４を形成することにより、表面平坦性の改善を行うことができる。
【００５０】
実施の形態１の方法により作製したウェハーの表面平坦性を測定した結果、表面の高低差は２０ｎｍ以下であった。また、歩留まりは、実施の形態１とほぼ同様な結果が得られた。また、掘り込み領域の深さＸや距離Ｙや距離ｄも実施の形態１と同様とすることが好ましい。
【００５１】
〈実施の形態３〉
本実施の形態においては、窪みが存在する基板を用いる。この窪みは欠陥集中領域１１以外に形成されていてもよい。用いる基板以外は、実施の形態１とプロセス、構造等同じである。
【００５２】
窪みとしては様々な形状が考えられる。図１１に、窪みの形状の例を示す。図１１（ａ）は基板の上面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の断面図である。これらの窪み３０ａ〜３０ｃの幅をＺ、深さをＶとする。幅Ｚが１μｍ以上で深さＶが０．５μｍ以上であった場合、窪みの形状に応じて、異なる方向に窒化物半導体層１３の成長が起こることが実験により分かった。一方、これより小さくて浅い場合には窪みは埋まってしまい、成長方向に影響を与えることはないが、表面の平坦性が悪化する。
【００５３】
この窪みの領域を実施の形態１に記載したように、ＲＩＥ法等により、気相エッチングにより掘り込む。その後、実施の形態１の方法によりウェハーを作製し、表面平坦性を測定すると表面の高低差は２０ｎｍ以下であった。一方、従来例のように、掘り込み領域１４を形成せずに窒化物半導体層１３を成長させた場合、表面の高低差は２００ｎｍ以上と大幅に悪化してしまった。
【００５４】
また、歩留まりは、実施の形態１とほぼ同様な結果が得られた。また、掘り込み領域の深さＸや距離Ｙや距離ｄも実施の形態１と同様とすることが好ましい。
【００５５】
〈実施の形態４〉
本実施の形態においては、欠陥集中領域１１を含む掘り込み領域１４の他にも掘り込みを形成した半導体レーザ素子について説明する。基板１０の掘り込み領域の位置以外は、実施の形態１とプロセス、構造等同じである。
【００５６】
図１２（ａ）は実施の形態４の基板の上面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の断面図である。掘り込み領域として、欠陥集中領域１１を含む掘り込み領域１４と、低欠陥領域１２中に形成された掘り込み領域１４ａとが存在する。
【００５７】
この掘り込み領域１４ａは、低欠陥領域に欠陥や成長面が異なる領域等の異常成長箇所が含まれていた場合に、その影響が広範囲に及ぶのを防ぐことを目的としている。図１３（ａ）は掘り込み領域１４ａを有しない場合の窒化物半導体層１３の成長時の上面図、図６（ｂ）は掘り込み領域１４ａを有する場合の窒化物半導体層１３の成長時の上面図である。図１６（ａ）に示すように、もし低欠陥領域１２にイレギュラーに欠陥等が存在した場合、そこは掘り込まれていないため異常成長が起こり、低欠陥領域１２に広範囲に広がることになる。しかし、低欠陥領域１２にも掘り込み領域１４ａを形成することにより、図１６（ｂ）に示すように、異常成長の伝播を防ぐことができることが分かった。つまり、図１６（ｂ）の低欠陥領域１２ａで発生した異常成長も掘り込み領域１４ａにより伝播が止まり、低欠陥領域１２ｂは表面平坦性の高い領域を保つことができる。
【００５８】
低欠陥領域１２ａで発生した異常成長が低欠陥領域１２ｂに伝播せず、表面平坦性の高低差が２０ｎｍ以下に抑えられる条件は、掘り込み領域１４ａの幅が３μｍ以上であった。３μｍ以下の幅では掘り込み領域１４ａが埋まってしまい、異常成長を止める効果はなかった。また、幅が２００μｍより大きくなると、低欠陥領域１２の面積が狭くなり、従ってｐ電極１７等を作りこむ領域が狭くなり、プロセス歩留まりが落ちるため好ましくない。
【００５９】
また、掘り込み領域１４ａの掘り込み深さも実施の形態１と同様の理由により、掘り込み深さＸは０．５μｍ以上５０μｍ以下が良い。
【００６０】
なお、掘り込み領域１４ａは掘り込み領域１４間に複数本設けてもよく、形成位置も低欠陥領域内であれば、どこに形成しても効果は同じである。
【００６１】
〈実施の形態５〉
本実施の形態は、欠陥集中領域１１をＲＩＥ等のエッチング法を用いて掘り込むことをせず、欠陥集中領域１１の両端に掘り込み領域を作ることにより、窒化物半導体層１３の表面平坦性を改善し半導体レーザ素子の特性の面内歩留まりを大幅に改善するものである。なお、基板１０の掘り込み領域の位置以外は、実施の形態１とプロセス、構造等同じである。
【００６２】
図１４（ａ）は実施の形態５の基板の上面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の断面図である。欠陥集中領域１１の両側に掘り込み領域１４ｂが設けられている。例えば、掘り込み領域１４ｂの幅は２０μｍ、深さは３μｍとすることができる。１７５は掘り込み領域１４ｂ間の低欠陥領域であり、リッジ部形成領域と称する。リッジ部形成領域とは、この基板１０上に窒化物半導体層１３を成長し、更に窒化物半導体レーザ素子を作りこむ際に、光導波領域であるリッジ部を作製する領域をいう。
【００６３】
図１４の基板１０に窒化物半導体層１３をエピタキシャル成長させる。そして、そのウェハーに窒化物半導体レーザ素子を作製する。図１５（ａ）は実施の形態５の窒化物半導体レーザ素子の断面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の上面図である。図１（ａ）と同様に、リッジ部１５の中心と掘り込み領域１４ｂの端との距離をｄで表すとき、ｄ＝１００μｍとする。
【００６４】
本実施の形態のように、基板１０の欠陥集中領域１１の両脇に掘り込み領域１４ｂを設け、その基板１０に窒化物半導体層１３を成長させた場合、欠陥集中領域１１を含む掘り込み領域１４ｂに挟まれた領域の表面平坦性は非常に荒れている。
【００６５】
しかし、図１４で示したリッジ部形成領域１２ｃの表面平坦性は窒化物半導体層１３をエピタキシャル成長させた後であっても、表面平坦性を測定した６００μｍ幅の中で最も高い部分と最も低い部分の高低差は２０ｎｍ以下であった。この理由として、図１３の掘り込み領域１４ａと同様の作用によって、異常成長領域の伝播を止めることができるものと考えられる。従って、欠陥集中領域１１を掘り込まなくても、欠陥集中領域１１を含むように低欠陥領域１２に掘り込み領域１４ｂを形成することにより、表面平坦性を改善することができることが分かった。それにより、素子特性の面内分布を抑え歩留まりを飛躍的に改善することができる。
【００６６】
また、歩留まりは、実施の形態１とほぼ同様な結果が得られた。また、掘り込み領域の深さＸや距離Ｙや距離ｄも実施の形態１と同様とすることが好ましい。
【００６７】
また、表面平坦性の高低差が２０ｎｍ以下に抑えられる条件として、掘り込み領域１４ｂの幅は３μｍ以上１５０μｍ以下が好ましい。３μｍ以下の幅であった場合、掘り込み領域１４ｂが埋まってしまい、欠陥集中領域１１の異常成長が低欠陥領域１２へ伝播する。また、１５０μｍより幅が大きくなると、低欠陥領域１２の面積が狭くなり、従ってｐ電極１７等を作りこむ領域が狭くなり、プロセス歩留まりが落ちるため好ましくない。
【００６８】
また、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子では、１ｃｍ角の面積の中にクラックは０本であった。このように、本実施の形態を用いた場合には、窒化物半導体層１３中のクラックを著しく低減することが可能である。理由に関しては、実施の形態１に記載した理由と同じである。
【００６９】
【発明の効果】
基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有する場合に、基板の所定箇所に低欠陥領域よりも掘り込まれた掘り込み領域を設けることにより、成長方向が均一になり表面平坦性が向上し、ウェハー面内の特性の均一化が図られて歩留まりを向上させることができる。
【００７０】
また、掘り込み領域を設けることにより、窒化物半導体層に内在する歪みを開放することができ、クラックの発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
（ｂ）は図１（ａ）の上面図である。
【図２】 窒化物半導体層の層構成を示す断面図である。
【図３】（ａ）欠陥集中領域付近を拡大した上面図の一例である。
（ｂ）欠陥集中領域付近を拡大した上面図の一例である。
（ｃ）欠陥集中領域付近を拡大した上面図の一例である。
【図４】（ａ）実施の形態１の基板の上面図である。
（ｂ）図４（ａ）の断面図である。
【図５】（ａ）［１１−２０］方向の表面平坦性を示す図である。
（ｂ）［１−１００］方向の表面平坦性を示す図である。
【図６】（ａ）線状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図である。
（ｂ）点状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図である。
【図７】 掘り込み深さＸと歩留まりの相関を示す図である。
【図８】（ａ）線状の欠陥集中領域を有した基板の上面図である。
（ｂ）は点状の欠陥集中領域を有した基板の上面図である。
【図９】 距離Ｙと歩留まりの相関を示す図である。
【図１０】 実施の形態２の点状の欠陥集中領域を有した基板の上面図である。
【図１１】（ａ）実施の形態３の基板の上面図である。
（ｂ）図１１（ａ）の断面図である。
【図１２】（ａ）実施の形態４の基板の上面図である。
（ｂ）図１２（ａ）の断面図である。
【図１３】（ａ）掘り込み領域を有しない場合の窒化物半導体層の成長時の上面図である。
（ｂ）掘り込み領域を有する場合の窒化物半導体層の成長時の上面図である。
【図１４】（ａ）実施の形態５の基板の上面図である。
（ｂ）図１４（ａ）の断面図である。
【図１５】（ａ）実施の形態５の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
（ｂ）図１５（ａ）の上面図である。
【図１６】（ａ）従来の半導体レーザ素子の断面図である。
（ｂ）図１６（ａ）の上面図である。
【図１７】（ａ）従来の線状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図である。
（ｂ）従来の点状の欠陥集中領域を有した窒化物半導体層の成長時の上面図である。
【図１８】（ａ）従来の窒化物半導体レーザ素子の［１１−２０］方向の表面平坦性を示す図である。
（ｂ）従来の窒化物半導体レーザ素子の［１−１００］方向の表面平坦性を示す図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１１ 欠陥集中領域
１２ 低欠陥領域
１３ 窒化物半導体層
１４ 掘り込み領域
１５ リッジ部
Claims (17)
- 基板と、該基板上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体発光素子において、
前記基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有し、
前記基板の前記欠陥集中領域を含む部分に、前記低欠陥領域よりも掘り込まれた掘り込み領域を有し、
該掘り込み領域の端から前記欠陥集中領域の端までの距離が５μｍ以上であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記欠陥集中領域が線状であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記欠陥集中領域が点状であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記掘り込み領域が線状であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記掘り込み領域の掘り込み深さが、０．５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記窒化物半導体層はレーザ光導波領域であるリッジ部を有し、
該リッジ部は、前記掘り込み領域の端から５μｍ以上離れて形成されることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。 - 基板と、該基板上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体発光素子において、
前記基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有し、
前記欠陥集中領域又は低欠陥領域が窪みを有し、
該窪みを含む部分が掘り込まれた掘り込み領域を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記窪みの深さが０．５μｍ以上、幅が１μｍ以上であることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記掘り込み領域の掘り込み深さが、０．５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記掘り込み領域の端から前記欠陥集中領域の端までの距離が５μｍ以上であることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記窒化物半導体層はレーザ光導波領域であるリッジ部を有し、
該リッジ部は、前記掘り込み領域の端から５μｍ以上離れて形成されることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体発光素子。 - 基板と、該基板上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体発光素子において、
前記基板が、欠陥集中領域と欠陥集中領域を除いた領域である低欠陥領域とを有し、
前記窒化物半導体層が、レーザ光導波領域であるリッジ部を有し、
該リッジ部と前記欠陥集中領域との間に、前記低欠陥領域よりも掘り込まれた掘り込み領域を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記掘り込み領域が線状であることを特徴とする請求項１２記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記掘り込み領域の掘り込み深さが、０．５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１２記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記掘り込み領域の端から前記欠陥集中領域の端までの距離が５μｍ以上であることを特徴とする請求項１２記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記リッジ部は、前記掘り込み領域の端から５μｍ以上離れて形成されることを特徴とする請求項１２記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記掘り込み領域の幅が、３μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１２記載の窒化物半導体発光素子。
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